способ определения износостойкости покрытия

Формула изобретения

Способ определения износостойкости покрытия, нанесенного на рабочую поверхность образца, заключающийся в том, что срезают часть покрытия под острым углом к рабочей поверхности образца, сопрягают контробразец и образец по их исследуемым поверхностям, нагружают их сжимающей силой, осуществляют относительное скольжение контробразца и образца и определяют интенсивность износа последнего, отличающийся тем, что предварительно осуществляют нагрев образца в атмосфере аргона до температуры испытания Т_исп, находящейся в интервале рабочих температур, характерных для типа испытуемого металла, а в качестве контробразца используют индентор с нагрузкой 0,5-1,0 Н, выполненный в виде алмазного конуса с углом 100-150° на рабочей части, причем относительное скольжение контробразца и образца осуществляют со скоростью испытания V _исп, находящейся в пределах 2-5,5 мм/с, на расстояние l=10 мм, где l - путь движения индентора, с образованием трека на рабочей поверхности образца, а показатель износостойкости определяют из соотношения I=l/V_д·10³, где V _д=l/2·b·а·l - объем деформированного металла, b - ширина трека, а - глубина трека.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытаниям металлических покрытий на изнашивание при трении в условиях высоких температур, в частности к определению износостойкости горячего наплавленного в качестве покрытия металла.

Известен способ испытания материалов при высоких температурах (см. авт.св. №1428996, МПК G 01 N 3/56, опубл. 1988 г., Бюл. №37). В способе нагревают контртело и приводят его в соприкосновение с образцом, нагружают их сжимающей силой, после чего контртело приводят во вращение. В ходе истирания образца на его поверхности разрушается окисная пленка и таким образом обеспечивается получение абразивных частиц в зоне трения. Затем регистрируют износ образца.

Но этот способ предусматривает нагрев контртела, а не испытуемого металла, что не позволяет получить достоверной картины его износа при высоких температурах, т.к. образец металла не прогрет по всему объему. К тому же само контртело изнашивается в процессе проведения испытаний, что приводит к изменению условий трения в процессе проведения опытов.

Известен способ определения износостойкости (см. авт.св. №947706, МПК G 01 N 3/56, опубл. 1982 г., Бюл. №28). В этом способе по исследуемой поверхности синхронно возвратно-поступательно перемещают инденторы под нагрузкой. Перемещение индеторов производят многократно по одним и тем же параллельным траекториям. Испытания проводят до полного разрушения исследуемой зоны металла и измеряют число циклов возвратно-поступательного движения, по числу которых судят об износостойкости материала.

Но этот способ предусматривает исследования материалов при нормальной температуре и не дает представления об их износостойкости при высоких температурах. Так же инденторы изнашиваются в процессе трения, что ведет к изменению физико-химических условий в контакте образец-индентор, и вносит погрешность в эксперимент.

Наиболее близким к изобретению является способ определения износостойкости покрытия (см. авт.св. №862049, МПК G 01 N 3/56, опубл. 1981 г., Бюл. №33). По этому способу часть покрытия срезают под острым углом к рабочей поверхности образца, сопрягают контробразец и образец по их исследуемым поверхностям, нагружают их сжимающей силой, осуществляют относительное скольжение контробразца и образца и определяют интенсивность износа последнего.

Но этот способ, как и предыдущий, предусматривает исследования материалов при нормальной температуре и не дает достоверных данных об их износостойкости при высоких температурах. Так же индентор изнашивается в процессе трения, что ведет к изменению физико-химических условий в контакте образец-индентор, и вносит погрешность в эксперимент.

Задачей предлагаемого технического решения является создание такого способа определения износостойкости покрытия, который мог обеспечивать неизменность физико-химических условий в контакте образец-индентор, а также давал возможность определять износостойкость покрытия при высоких температурах.

Технический результат заключается в повышении достоверности способа за счет применения в качестве контртела индентора с алмазным конусом на рабочей части, что дает возможность получать постоянные физико-химические условия в контакте контртело-испытуемый материал в широком диапазоне температур, а также за счет рационального сочетания кинематических параметров испытания (давления в контакте, скорости скольжения).

Технический результат достигается тем, что в способе определения износостойкости покрытия, нанесенного на рабочую поверхность образца срезают часть покрытия под острым углом к рабочей поверхности образца, сопрягают контробразец и образец по их исследуемым поверхностям, нагружают их сжимающей силой, осуществляют относительное скольжение контробразца и образца и определяют интенсивность износа последнего, при этом предварительно осуществляют нагрев образца в атмосфере аргона до температуры испытания Т_исп, находящейся в интервале рабочих температур, характерных для типа испытуемого металла, а в качестве контробразца используют индентор с нагрузкой 0,5-1,0 Н, выполненный в виде алмазного конуса с углом 100°-150° на рабочей части, причем относительное скольжение контробразца и образца осуществляют со скоростью испытания V_исп, находящейся в пределах 2-5,5 мм/с, на расстояние l=10 мм, где l - путь движения индентора, с образованием трека на рабочей поверхности образца, а показатель износостойкости определяют из соотношения

где - объем деформированного металла, b - ширина трека, а - глубина трека.

Нагрев образца осуществляется до температуры испытаний Т_исп, которая находится в интервале температур, характерных для условий работы исследуемого материала покрытия. Это позволяет приблизить условия испытания металлического покрытия к реальным условиям его работы, что повышает достоверность способа определения износостойкости покрытия.

Нагрузка на индентор находится в диапазоне 0,5-1,0 Н, что позволяет получить удовлетворительное формирование трека. При нагрузке менее 0,5 Н трек формируется неудовлетворительно, а при нагрузке более 1,0 Н возможно хрупкое разрушение (скол) алмазного конуса индентора, что не позволяет получить достоверные данные об износостойкости покрытия.

Для получения трека используется индентор, выполненный в виде алмазного конуса с углом в диапазоне 120°-150° на его рабочей части. Такой диапазон угла конуса индентора позволяет получить удовлетворительное формирование трека. При угле менее 100° возможен скол алмазного конуса индентора, и неудовлетворительное формирование трека (фиг.6). При угле более 150° трек не образуется.

Материал индентора выбран исходя из условий постоянства параметров исследований, т.к. алмаз ввиду своих высоких твердости и температуры плавления, не испытывает никаких изменений при нагреве образца в инертной атмосфере до необходимой температуры испытаний, что обеспечивает постоянство физико-химических условий в контакте образец-индентор и повышает достоверность способа. Конусная форма индентора (фиг.4) обеспечивает получение пластической деформации металла покрытия без составляющей резания. В противном случае оценка результатов исследований затруднена.

Скорость относительного скольжения при проведении исследований находится в диапазоне 2-5,5 мм/с. Такой диапазон характерен для оптимальной скорости пластической деформации горячего наплавленного металлического покрытия различных систем легирования. Максимальная скорость движения индентора (5,5 мм/с) ограничена появлением в треке характерных волн, природа которых связана с накоплением и перемещением дислокации. Уменьшение скорости движения индентора менее 2 мм/с приводит к необоснованному увеличению времени испытаний.

Для получения достоверных результатов исследований объем деформированного металла рассчитывается на длине l=10 мм по центру образца. Это обусловлено тем, что в центральной части образца на этой длине испытуемый материал прогрет проходящим током равномерно (фиг.2). За пределами этого расстояния температура материала снижается, что приводит к изменениям условий эксперимента и получению недостоверных результатов.

Показатель износостойкости определяют как где - объем деформированного металла, мм³, b - ширина трека, мм, а - глубина трека, мм (фиг.3).

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 изображена установка, изготовленная для реализации способа;

На фиг.2 изображено распределение температур по длине образца;

На фиг.3 изображена схема трека;

На фиг.4 изображен контробразец (индентор);

На фиг.5 приведена фотография трека (материал 35Х3В9ФС×400);

На фиг.6 приведена фотография неудовлетворительно сформированного трека.

Установка, изготовленная для реализации способа, состоит из основания 1, на котором укреплен мотор-редуктор 2 и направляющая 3, которая обеспечивает прямолинейное движение каретки 4 с зажимом 5. Также к основанию 1 крепится герметичная камера 6, в которой предусмотрены отверстия для подвода сварочных кабелей и поддува аргона. Муфта 7 соединяет мотор-редуктор 2 с передачей винт-гайка 8. На гайке 8 жестко закреплена каретка 4. В зажиме 5 закрепляется индентор 9 с алмазным конусом на рабочей части и сменные грузы 10.

Способ реализуется следующим образом.

Предварительно срезают часть покрытия под острым углом к рабочей поверхности образца 11 и закрепляют его на направляющей 3 (фиг.1). Включают источник питания 12, который нагревает образец 11 проходящим током до температуры испытания Т_исп, находящейся в интервале рабочих температур, характерных для типа испытуемого металла, и одновременно осуществляют продувку аргоном герметичной камеры 6. При достижении необходимой температуры испытаний индентор 9, выполненный в виде алмазного конуса с углом 100°-150° на рабочей части, сопрягают с образцом 11, с нагрузкой 10 на образец 0,5-1,0 Н и включают мотор-редуктор 2, который через муфту 7 и передачу винт - гайка 8 передает движение каретке 4, в которой закреплен зажим 5 индентора 9, осуществляя относительное скольжение индентора 9 и образца 11 со скоростью испытания V_исп, находящейся в пределах 2-5,5 мм/с и на расстояние l=10 мм, где l - путь движения индентора, с образованием трека 13 (фиг.3) на рабочей поверхности образца 11. Перед испытанием проверяют перпендикулярность индентора 9 относительно поверхности образца 11. После завершения испытания выключают источник питания 12, а поддув аргона продолжают до полного остывания образца. После этого образец снимают с установки и на микроскопе измеряют ширину трека b 13, а глубину трека а рассчитывают как После чего рассчитывают объем деформированного металла 14 по которому рассчитывают показатель износостойкости

где b - ширина трека;

а - глубина трека;

V_д - объем пластически деформированного металла.

Критерием достоверности результатов испытаний служит постоянство физико-химических условий в контакте образец-индентор, обеспечиваемое неизменностью физических и химических характеристик материала индентора независимо от температуры в контакте.

Пример

Проводили испытания наплавленного металла следующего химического состава: 260Х24Н67М4Б2, полученного путем гелиедуговой наплавки порошковой проволоки ППНВ-7 на заготовку из стали 3.

Предварительно срезали часть покрытия под острым углом к рабочей поверхности образца закрепляли его на направляющей. Включали источник питания, который нагревал образец проходящим током до температуры 950°С, и одновременно осуществляли продувку аргоном герметичной камеры. При достижении этой температуры испытаний индентор, выполненный в виде алмазного конуса с углом 120° на рабочей части, сопрягали с образцом, с нагрузкой на образец 0,5 Н и включали мотор-редуктор, который через муфту и передачу винт - гайка передавал движение каретке, в которой закреплен зажим индентора, осуществляя относительное скольжение индентора и образца со скоростью испытания V_исп =4 мм/с, и на расстояние l=10 мм, где l - путь движения индентора с образованием трека на рабочей поверхности образца. Перед испытанием проверяли перпендикулярность индентора относительно поверхности образца. После завершения испытания выключали источник питания, а поддув аргона продолжали до полного остывания образца. После этого образец снимали с установки и на микроскопе измеряли ширину трека. В данном эксперименте получили следующие результаты: b=0,02 мм, а=0,00577 мм, V_деф=0,000577 мм³, I=1,73.

Результаты остальных испытаний приведены в таблице 1. Испытания проводили при оптимальных значениях параметров: скорость скольжения индентора V=4 мм/сек; нагрузка Р=0,5 Н; угол алмазного конуса 120°. Влияние параметров заявляемого способа на его достоверность представлено в таблице 2, из которой следует, что нахождение параметров в заявляемых диапазонах позволяет получить достоверные результаты.

Таблица 1
Результаты испытаний различных металлических покрытий
Тип наплавленного металла	Температура испытаний, °С			Результаты испытаний
				Ширина трека, b, мм	Объем деформированного металла Vд, мм 3×10-3	Показатель износостойкости, I
Конструкционные стали
Сталь 3	20			0,2	11,5	0.087
Сталь 40				0,1	1,45	0,67
Углеродистые стали
У10	20			0,09	1,17	0,85
У12				0,08	0,92	1,09
Низкоуглеродистые низколегированные стали
07ХГНМ	20			0,08	0,92	1,09
20ХГ	20			0,08	0,92	1,09
20Х4МГ2СФ	500			0,08	0,92	1,09
Углеродистые низколегированные стали
70Х2	20			0,9	1,17	0,85
90Х2	20			0,08	0,92	1,09
80Х4С	350			0,07	0,7	1,43
Марганцовистые аустенитные стали
110Г13	20			0,06	0,52	1,92
100Г19Х25	600			0,055	0,42	2,38
120Г17Х9Б3	500			0,06	0,52	1,92
Высоколегированные углеродистые хромистые сплавы
80Х20Р3Т	20			0,07	0,7	1,43
480Х38В2	500			0,07	0,7	1,43
240Х29С2Р2	400			0,06	0,52	1,92
Хромистые стали
10Х13	20			0,1	1,45	0,67
200Х12ВФ	500			0,08	0,92	1,09
180Х6Т6Г2СМ	300			0,09	1,17	0,85
Хром-молибден и хром-молибден-вольфрамовые теплостойкие стали
35Х7М2Г1Т	600			0,1	1,45	0,67
30Х3В3М3ФС	700			0,1	1,45	0,67
80Х4В18К5Ф2	800			0,08	0,92	1,09
Хромоникелевые и хромоникельмарганцевые стали
06Х18Н10Т	350			0,08	0,92	1,09
20Х20Н10Г6Т	350			0,07	0,7	1,43
6Х15Н35М6Б1	600			0,08	0,92	1,09
Сплавы на основе никеля
90Х29Н62М6СР	850			0,03	0,129	7,75
50Х13Н80В2С4Р	700			0,03	0,129	7,75
260Х26Н64М6Н2	850			0,02	0,0577	17,3
Сплавы на основе кобальта
03Х29К55В16Н10Г		1000		0,03	0,129	7,75
160Х28К60В8Н2СГ		1200		0,03	0,129	7,75
30Х27К66М4ГС		900		0,03	0,129	7,75
Экспериментальный сплав на основе алюминида никеля
80Х4Н74Ю10М3В3Ц2			1300	0,03	0,129	7,75

Таблица 2
Влияние условий испытаний на достоверность результатов способа определения износостойкости покрытия
Параметр	Значения параметров	Результат	Постоянство физико-химических условий в контакте образец-индентор
Скорость скольжения индентора V, мм/сек	2,0	Равномерная пластическая деформация покрытия	не претерпевают изменений
	5,5
	3,0
	1,0	Необоснованное увеличение продолжительности опыта
	6,0	Появление в треке характерных волн, природа которых связана с накоплением и перемещением дислокаций	изменяется
Нагрузка Р, Н	0,5	Удовлетворительное формирование трека	не претерпевают изменений
	1,0
	0,7
	0,3	Неудовлетворительное формирование трека
	1,2	Неудовлетворительное формирование трека
Угол заточки алмазного конуса индентора	100	Удовлетворительное формирование трека	не претерпевают изменений
	150
	120
	90	Возможен скол алмазного конуса индентора, неудовлетворительное формирование трека
	160	Трек не образуется

Использование предлагаемого способа определения износостойкости покрытия дает в сравнении с известными способами определения износостойкости следующий технический результат:

повышение достоверности способа за счет применения в качестве контртела индентора с алмазным конусом на рабочей части, что дает возможность получать постоянные физико-химические условия в контакте контртело-испытуемый материал в широком диапазоне температур (20-1400°С), а также за счет рационального сочетания кинематических параметров испытаний (давления в контакте, скорости скольжения).